Előfizetés a lapra

Lézerhullámokon szörfölő elektronok

elektron, fizika, részecskegyorsító, SLAC

2013/11/07

A világon ma működő óriásgyor­sítók nem csak a bennük közel fénysebességgel száguldó részecs­kék energiájában érnek el koráb­ban nem is álmodott csúcsokat, hanem geometriai méreteiket te­kintve is hatalmasak: elég csak a CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) 27 kilométeres kerületű kör­gyűrűjére, vagy a Stanfordi Lineáris Gyorsítóközpont (SLAC) 3,2 kilométer hosszú gyorsítóalagútjára gondolnunk. Az energiarekordokat döntögető csúcs­laboratóriumok mellett azonban egyre nagyobb igény jelentkezik olyan kisebb méretű, asztali vagy hordozható, ám viszonylag nagy energiákra gyorsító eszközök építésére, amelyekkel például anyagtudományi vagy biológiai vizsgá­latok, esetleg orvosi kezelések is végez­hetők. Két kutatócsoport most ebben ért el olyan bíztató eredményeket, ame­lyek drámai mértékban csökkenthe­tik a méreteket, és utat nyithatnak a gyorsítóberendezések miniatürizálása felé. Mindkét kísérletben elektrono­kat gyorsítanak lézerfénnyel parányi, rizsszemnél is kisebb, üvegbe vésett nanoszerkezetekben.

Az egyik csoport a már említett stanfordi SLAC egyik kutatócsoportja, amely Joel England és Robert Byer pro­fesszor vezetésével végzett kísérleteket, amelyekről a Nature-ben számoltak be.

„Még számos kihívással kell szembenéz­nünk, mielőtt ez a technológia valóban széles körben alkalmazhatóvá válik a valóságban” – nyilatkozta England, ám egyúttal azt a reményét is kifejezte, hogy a kereske­delmi forgalomban is hozzáférhető lézerek, illetve a félvezetőiparban alkalmazott olcsó tömeggyártási technológiák segítségével felépít­hető „asztali” gyorsítók új gene­rációja a nehézségek leküzdése után villámgyorsan teret nyer majd a hétköznapi élet – külön­féle területein.

Teljesítőképessége csúcsán egy hasonló csipmodulokból felépít­hető gyorsítóval a SLAC 3,2 kilo­méter hosszú lineáris gyorsítójá­nak energiája mindössze 30 méter befutása után elérhető, ráadásul másodpercenként milliószor több elektronimpulzust szolgáltathat. Az első kísérleti demonstrációban az elért gyorsítógradiens – azaz az egységnyi hosszon elért ener­gianövekedés – méterenként 300 millió elektronvolt (300 MeV/m) volt – ez durván tízszerese a SLAC jelenlegi csúcsteljesítményének. (A gyorsítógradiens szemléletesen – egy lejtőn leguruló autóhoz hason­lítva a gyorsítandó részecskét – a lejtő hajlásszögéhez hasonlítható: minél meredekebb a lejtő, annál nagyobb a gyorsulás és az elért mozgási energia.)

„Végső célunk ezzel az eljárással a méterenként 1 milliárd elektronvolt (1 GeV/m) gradiens elérése – ennek harmadát sikerült már az első kísérlet­ben teljesítenünk” -- mondta Byer.

A mai óriásgyorsítókban az elekt­romosan töltött részecskéket mik­rohullámokkal (annak elektromos térerő-komponensével) gyorsítják. Nagyobb gyorsítóerő nagyobb elektromos térerővel érhető el. A mai óriásgyorsítókban azonban ennek ha­tárt szab, hogy fő szerkezeti anyaguk fém, amely túl nagy elektromos térerőt nem visel el. A nem vezető dielektri­kumokban (például üvegben) azon­ban ilyen korlát nincs. Ha az elekt­romos térerő forrása mikrohullám helyett lézerfény, akkor mintegy két nagyságrenddel nagyobb (százszoros) gyorsítóerő érhető el.

Egy sík üveglemezben létrehozott, az alkalmazott lézerfény hullámhosszához illeszkedő megfelelő paramé­terekkel rendelkező diffrakciós rácson a lemez síkjára merőlegesen beeső lé­zerfény egy része a lemez síkjával pár­huzamosan haladó módusokba szóró­dik: ezek a térben gyorsan lecsengő (elhaló, úgynevezett evaneszcens) hullámok használhatók fel a lemez síkjával szintén párhuzamosan futó elektronok gyorsítására: a rács fölött megfelő időpontokban kapott gyorsító térerő-impulzusok a tenger hulláma­in szörfölő hullámlovashoz hasonlóan gyorsítják az elektront.

A hagyományos gyorsítókban a ré­szecskéket többnyire két szakaszban gyorsítják: először közel fénysebességre, majd a második fázisban már lényegé­ben érdemi sebességnövekedés nélkül, egyre nagyobb energiákra.

A SLAC kutatóinak kísérletében az első szakaszt hagyományos részecskegyorsí­tóban teljesítették, majd az így már közel fénysebességű, relativisztikus elektrono­kat fókuszálták egy parányi, mindössze fél milliméter hosszú üvegcsipnek egy nanoléptékű optikai rács fölött futó fél mikron mély barázdájába. Ebben már a lemez síkjára merőlegesen beeső inf­ravörös lézerimpulzusokból generált evaneszcens hullámok gyorsították to­vább az elektronokat.

A gyorsítók tényleges miniatürizálásá­hoz azonban az első szakaszt – amelyet a SLAC-kísérletben hagyományos, nagy méretű gyorsító végzett el – is zsugoríta­ni kell. Lényegében ezzel próbálkoztak a második kísérlet résztvevői, a garchingi Max Planck Kvantumoptikai Intézet John Breuer és Peter Hommelhoff vezette kutatócsoportja, akik eredményükről a Physical Review Lettersben számoltak be.

A garchingi kutatók elektronforrás­ként egy hagyományos elektronmik­roszkópot használtak, és a kis energájú, nem relativisztikus elktronokon sikerült méterenként 25 MeV-es gradienst elér­niük. „Ez nagyságrendileg megfelel a mai hagyományos gyorsítók gradiensé­nek, de bizonyítja, hogy elvileg a mód­szer működik, a teljesítmény pedig még jócskán javítható” – nyilatkozta Breuer.

A két kutatócsoport eredményeinek ötvözésével pedig valóban megnyílhat az út a mainál jóval kisebb méretű aszta­li, vagy akár hordozható részecskegyor­sítók felé.

Forrás: www6.slac.stanford.edu/news/2013-09-27-accelerator-on-a-chip.aspx

2013/45